Pregătite de: B. Horváthová
Există două situații la interfața dintre un solid și un lichid. Lichidul udă pereții recipientului, observăm curbura stratului de suprafață la pereții containerului în sus. Lichidul nu ude pereții recipientului, observăm curbura stratului de suprafață în jos.
Curbura suprafeței libere a lichidului la pereții vasului în tuburi înguste, capilare și bule determină forțele de suprafață rezultate să fie o forță non-zero care acționează perpendicular pe suprafața lichidului.
Această forță evocă presiunea capilară . Dacă suprafața lichidului are o formă sferică, presiunea capilară este dată de: pk = 2 / R, unde este tensiunea superficială și R raza de suprafață sferică.
Presiunea capilară depinde invers de raza suprafeței sferice. Pentru un balon subțire de săpun sferic cu raza R, presiunea capilară din interiorul balonului este egală cu pk = 4 / R, deoarece bula are două suprafețe.
Când scufundăm un tub de sticlă îngust într-un vas mare cu apă, putem observa că în capilar apa crește la o anumită înălțime h deasupra nivelului de apă liberă din vasul mare. Această creștere a nivelului se numește cota capilară . Așa se comportă toate lichidele care udă pereții recipientului.
Dacă efectuăm un experiment similar cu mercur, nivelul de mercur liber din capilar este mai mic decât nivelul de mercur liber din vasul larg. O astfel de reducere a nivelului liber de mercur din capilar se spune că este depresie capilară . Depresia capilară poate fi observată cu lichide care nu udă pereții recipientului.
Din punctul de vedere al fizicii moleculare, putem explica capilaritatea pe exemplul înălțării capilare a unui lichid cu tensiune superficială. Se presupune că lichidul udă perfect pereții recipientului din capilar cu raza R pentru a forma o suprafață goală care are forma unei emisfere cu raza R. Suprafața goală a lichidului din capilar acționează asupra lichidului cu o forța în afară din lichid. Suprafața liberă sa stabilizat la înălțimea h, unde forțele menționate sunt în echilibru.
Următoarele se aplică mărimii forței care acționează de-a lungul întregii circumferințe interioare a capilarului: Ft = .2 R
Următoarele se aplică mărimii forței hidrostatice: Fh = p.S = h.q.g. R 2
Punem forțele în egalitate și exprimăm h:
.2 R = h.q.g. R2 /: R
h = 2 / (q.g.R)
Creșterea nivelului liber în capilar în raport cu nivelul suprafeței libere din vasul exterior prin elevație este invers proporțională cu raza capilarului. Pentru o rază capilară specifică, înălțimea h este mai mare cu cât tensiunea superficială a lichidului este mai mare.
Aceleași considerații se aplică și depresiei capilare.
Înălțimea capilară poate fi observată pe fitilul unei lumânări, pe un perete umed. O întâlnim și în natură, de exemplu, apa crește prin capilarele plantelor.
Apa se ridică din adâncuri în straturile de suprafață ale solului și se evaporă. Pentru a preveni evaporarea excesivă a apei din sol, capilarele se descompun în stratul de suprafață. De exemplu, prin laminare, se formează capilare, ceea ce permite apei să se ridice la suprafață.
1.) Cu siguranță presiunea capilară din interiorul balonului de săpun cu diametrul de 2cm. Tensiunea superficială a unei soluții de săpun în apă în contact cu aerul este de 40 mN.m -1 .
Pk =?; R = 1 cm = 0,01 m; = 40 mN.m -1 = 0,04 N.m -1;
În soluție folosim relația pentru presiunea capilară în interiorul balonului de săpun: pk = 4/R
După substituția numerică: pk = (4.0.04)/0.01 Pa = 16 Pa
Presiunea capilară din interiorul balonului de săpun este de 16 Pa.
2.) Determinați masa de apă care apare într-un capilar cu un diametru intern de 0,5 mm la o temperatură de 20 ° C. Tensiunea superficială a apei este de 73 mN. m -1, accelerația gravitațională este de 9,81m.s -2 .
m =? d = 0,5 mm; R = 0,25 mm = 0,00025m; g = 9,81m.s-2; = 0,073 N.m -1
Masa de apă poate fi calculată utilizând relația: m = .V
Știm densitatea apei la 1000 kg/m 3, dar trebuie totuși să calculăm volumul.
Volumul de apă este egal cu volumul cilindrului cu înălțimea coloanei de lichid date: V = S.h = R 2 .h
Încă trebuie să calculăm înălțimea la care crește apa din capilar: h = 2/(q.g.R) = (2.0.073)/(1000.9.81.0.00025) m = 0,0595 m
Înlocuiți în relația pentru volum: V = .0.00025 2 .0.0595 m 3 = 1.1677.10 -8 m 3
Înlocuim doar în relație greutatea: m = 1000,1,1677,10 -8 kg = 1,17,10 -5 kg
Masa de apă care iese din capilar este egală cu 1,17. 10 -5 kg.
1) Definiți când apar creșterea capilară și depresia capilară?
2) Ce forțe sunt în echilibru atunci când coloana de lichid din capilar se stabilizează?
3) Capilarul are un diametru interior de 0,2 mm. Calculați cât de mare va crește benzenul cu o densitate de 870 kg/m 3, tensiunea superficială 29,1 mN.m -1 în capilar .